Уплотнитель мощности в системах нагрева.

Самодельный конденсатор состоит из двух незамкнутых обкладок медной фольги обёрнутых вокруг соленоида. Между обкладками конденсатора проводом 0.75кв.мм виток к витку, в один слой, намотана индуктивность.

В ролике показано что в зависимости от способа подключения контура съёма можно как как увеличивать заряд конденсатора С1, привлекая потенциальную энергию среды, так и отдавать энергию устройства во внешний мир, тем самым уменьшая заряд конденсатора С1. Ток потребления от источника питания остаётся неизменным. В качестве терминала обмена с внешней средой выступает экспериментатор. Тот же эффект получится при подключении к схеме контура заземления.

Таким образом, эта и ранее продемонстрированные схемы, являются "открытыми" системами. Необходимо создать условия, сформировать "потенциальную яму", чтобы потенциальная энергия среды более эффективно формировала заряд конденсатора. Решение безусловно есть, оно должно быть простым, досадно что кому оно известно не спешит делиться своими знаниями.

Ток потребления источника питания не изменяется, резонанс отсутствует, активная нагрузка не работает, возможен только заряд конденсатора.

Подробности на сайте: energy4all.ru/ Телеграм канал: t.me/energyforall

Анализ схем индукционного нагрева в открытых источниках показал что работа систем индукционного нагрева основана на анализе тока и напряжения в резонансном контуре. Система управления определяет момент перехода гармонического сигнала через ноль и на силовые ключи поступает команда открытия или закрытия, что неверно по причине неизбежной задержки. Таким образом осуществляется определение и поддержание резонанса в системах нагрева. На осциллограмме показаны синим цветом - напряжение на конденсаторе, зеленый цвет - датчик тока и желтый луч даёт представления о моментах включения силовых ключей.

Принципиальный недостаток данного подхода в том, что в моменты закрытия транзисторных ключей образуется энергетический всплеск который преобразуется датчиками тока или напряжения в последовательность высоковольтных ВЧ импульсов. Наличие помех наглядно демонстрирует зеленый луч осциллографа с датчика тока в момент закрытия электронных ключей. Данные импульсы приводят к ложным срабатываниям систем контроля резонанса. Использование фильтров усложняет схемотехнику, ограничивает частотный диапазон и с учётом физики высоковольтных импульсов мало эффективны. Исключением не являются пуш-пулл системы, которые регулярно отправляют транзисторы в электронную вальхаллу .

В проекте Хантер используется принципиально иной подход, который координально решает проблему помех резонсных систем в целом и индукционных нагревателей в частности. Сигнал снимается с датчика тока, усиливается и поступает на детектор пика сигналов. Это позволяет максимально убрать помехи входных цепей. Микроконтроллер перебирает частоты, управляя внешним генератором сигналов и останавливается на той, при которой будет обнаружен пик - временной промежуток, в течении которого сигнал с датчика тока вначале увеличивается и далее следует его уменьшение. АЦП в проекте не используются.

Ключевое отличие индукционного нагревателя класса "Охотник" от классических систем: "Будет или нет сдвинута фаза исходного сигнала, будет или нет инвертирован исходный сигнал, как быстро будет определен реальный максимум тока для поддержания резонанса в системах индукционного нагрева адаптивного типа класса "Охотник" роли не играет. Охотнику важно попасть в цель - максимально точно определить резонансную частоту, задержка в прицеливании оправдана, поскольку цель будет поражена. Для индукционного нагрева не принципиально если уточнение резонансной частоты генераторе произойдёт не за пять микросекунд, а за пять миллисекунд. Но за счёт последовательных уточнений адаптивный алгоритм определит и установит резонансную частоту точнее, чем это сделает ПЛИС по цене самолёта, анализируя входной сигнал в реальном времени.


Так же проект Хантер будет незаменим в исследовательской работе для определения оптимальных параметров работы контура, Например определить и деражать частоту при которой ток потребления системы будет минимален или наоборот максимален. Замена датчика тока на делитель, позволит решить проблему и для напряжений.

Текущий статус проекта:

1. Модуль реализован и проверен , проект в altium доступен для скачивания.



Разработана схема, выполнена трассировка модуля датчика тока, изготовлен на pcbway.ru, находится в пути.

Функции:

• Обмен между микроконтроллером и обработчиком тока по SPI интерфейсу.
• Гальваническая развязка SI8640ED
• Температурный датчик MAX31855KASA+ для тепрмопар K-типа.
• Обратная связь - детекция резонансной частоты по переходам через ноль.
• Добавлены элементы управления и индикации через MCP23S08-E/SS
• Управление двумя твердотельными реле через MCP23S08-E/SS

Разработана схема, выполнена трассировка генератора сигналов, на изготовлении в pcbway.ru.

Функции:

• Обмен между микроконтроллером и внешним генератором сигналов по SPI интерфейсу.
• Питание 3.3v.
• Управляемый генератор сигналов на базе LTC6903IMS8PBF
• Возможность подключения внешнего генератора.
• Формирование четвертей периодов сигнала из исходного.
• Управление длительностью сигналов через цифровой потенциометр MCP41010-E/SN.
• Подключение силовых ключей IDC/Разёъемы, Выход - логика 3.3V.

Питание 3.3v используется в данном окружении впервые, вероятно стоит подстраховаться и сделать транслятор уровней. MCU3.3V -> внешний генератор 5V. Хотя для отработки алгоритмов может и 3.3 сгодится.


По мере реализации и проверки в железе, схемотехника в Altium будет доступна для скачивания, на сайте пока представлены схемы в объёме достаточном для понимания и критики принципов работы.

У внимательного читателя вероятно возник вопрос, какое отношение имеет одиозный проект Хантер по разработке индукционного нагревателя адаптивного типа класса Охотник к уплотнителю мощности - заряд и разряд конденсатора. Тому несколько причин.

1. Случается что обращаются руководители с желанием получить готовое высоконадёжное, бюджетное решение индукционного нагрева, такового, как и мыслей по его реализации, до настоявшего момента не было С действующим же прототипом уже можно договариваться о совместной деятельности.

2. В схемах уплотнителя мощности показано, что максимально эффективным является первый момент разряда конденсатора, когда в нагрузку отдаётся максимум энергии. Например, если напряжение источника питания и начало разряда конденсатора 300 вольт, напряжение прекращения заряда - 250 вольт. Парадокс, но практически полностью заряженный конденсатор заряжается до полного напряжения неприлично долго, а самое интересное, самовосстановление заряда конденсатора, случается именно при минимальной дельте заряд/разряд конденсатора:

energy4all.ru/um/video/20190202_211031_nosound.mp4

Некоторое время назад подумал, что для решения данной проблемы как нельзя лучше должен подойти резонанс. Что бы не говорили злопыхатели, но выход на резонансную частоту случается сразу и максимальную амплитуду мы наблюдаем сразу. Значит и заряд конденсатора не придётся больше ждать как у моря погоды. В худшем случае конденсатор будет полностью заряжен через несколько циклов!. Скорость заряда конденсатора будет напрямую зависеть от частоты колебательного контура. Выше частота-выше скорость заряда, при этом не будет потерян ни один кварк потенциальной энергии. При обычном разрыве цепи, энергия уходит в пространство. Как говорил ранее, колебательный контур это Хранитель потенциальной энергии (легко читается на приведённой осциллограмме). Таким образом проект Хантер - выведет уплотнитель мощности на новый уровень.

amischuk пишет:

...
2. В схемах уплотнителя мощности показано, что максимально эффективным является первый момент разряда конденсатора, когда в нагрузку отдаётся максимум энергии. Например, если напряжение источника питания и начало разряда конденсатора 300 вольт, напряжение прекращения заряда - 250 вольт. Парадокс, но практически полностью заряженный конденсатор заряжается до полного напряжения неприлично долго, а самое интересное, самовосстановление заряда конденсатора, случается именно при минимальной дельте заряд/разряд конденсатора:

energy4all.ru/um/video/20190202_211031_nosound.mp4
...

Никакого парадокса нет. Ответ прост - работает процесс прерывания разряда конденсатора. Такой же эффект дает прерывание тока "накачки" катушки в Ваших экспериментах. Физически оба процесса абсолютно эквивалентны. Минимальная дельта также понятна. Чем больше прерываемый разрядный ток (для конденсатора) и чем выше скорость закрытия разрядного ключа - тем выше всплеск потенциала. Можно добиться таких параметров, когда для дозаряда конденсатора источник питания окажется не нужным. Все сделает "прерывание". Закон сохранения импульса, в его механистическом восприятии - в помощь.

Константин пишет:

amischuk пишет:

...
2. В схемах уплотнителя мощности показано, что максимально эффективным является первый момент разряда конденсатора, когда в нагрузку отдаётся максимум энергии. Например, если напряжение источника питания и начало разряда конденсатора 300 вольт, напряжение прекращения заряда - 250 вольт. Парадокс, но практически полностью заряженный конденсатор заряжается до полного напряжения неприлично долго, а самое интересное, самовосстановление заряда конденсатора, случается именно при минимальной дельте заряд/разряд конденсатора:

energy4all.ru/um/video/20190202_211031_nosound.mp4
...

Никакого парадокса нет. Ответ прост - работает процесс прерывания разряда конденсатора. Такой же эффект дает прерывание тока "накачки" катушки в Ваших экспериментах. Физически оба процесса абсолютно эквивалентны. Минимальная дельта также понятна. Чем больше прерываемый разрядный ток (для конденсатора) и чем выше скорость закрытия разрядного ключа - тем выше всплеск потенциала. Можно добиться таких параметров, когда для дозаряда конденсатора источник питания окажется не нужным. Все сделает "прерывание". Закон сохранения импульса, в его механистическом восприятии - в помощь.

Отчасти всё верно. Подскажите пожалуйста, получалось у Вас на генераторе сигналов или иным образом, управляя электронным ключом, добиться самовосстановления заряда конденсатора? Мне, без схемы контроля заряда и разряда конденсатора, получить этот эффект не удаётся. Разряд конденсатора в схеме уплотнителя мощности замедляется, в результате постоянного прерывания "разрядного" тока.


Парни повторили эксперимент генерации токов импульсов, восстанавливающие заряд конденсатора, независимая разработка на советской схемотехнике:



И мне кажется в Ваших рассуждениях есть неточность. Посмотрите видео по ссылке далее из раздела уплотнитель мощности. Синий луч - изменение напряжения на обкладках конденсатора, красный луч - данные с датчика тока расположенного на положительной обкладке конденсатора.

energy4all.ru/um/video/20200802_014112_nosound.mp4

Прежде чем ток станет разрядным и начинает изменяться по классическому закону от максимума к минимуму, он должен прийти к этому максимуму. И разного рода эффекты наблюдаются не в классическом диапазоне, а при прерывании тока в его "начальном стремлении" к этому максимуму. Этот диапазон выделен вертикальными курсорами осциллографа и ограничен в конце ролика, но при всём уважении, это не ток (!), движения зарядов в цепи нет. Поэтому прежде чем говорить о законе сохранения энергии импульса, следует определиться с этой самой энергией. А её как раз и нет в её механистическом восприятии.

Вы правы, я неправ. С конденсатором я несколько поторопился, неправильно разрисовал вектора. Полностью согласен с написанным Вами: "И разного рода эффекты наблюдаются не в классическом диапазоне, а при прерывании тока в его "начальном стремлении" к этому максимуму. Этот диапазон выделен вертикальными курсорами осциллографа и ограничен в конце ролика, но при всём уважении, это не ток (!)". Это действительно не ток. Спасибо, что "ткнули носом".
Чуток Вас поправлю: не закон сохранения энергии импульса, а просто закон сохранения импульса (количества движения, в механике p=mv).

Пару слов следует сказать о схемотехнике генератора сигналов и возможности выделения четвертей периода синусоиды в проекте индукционного нагрева адаптивного типа класса "Охотник". Традиционно выделяют четверть периода, ориентируясь на пик синусоиды. Проект Хантер предлагает к реализации принципиально иной подход. Допустим резонансная частота параллельного колебательного контура 10кГц. Но на генераторе сигналов LTC6903 микроконтроллер установит частоту 20кГц, которая делится на два д-триггером SN74LVC1G74.


Работа на удвоенной частоте позволяет выполнять логическое сложение исходного сигнала генератора и сигнала после делителя - жёлтый луч осциллографа. При условии что момент включения транзистора приходится на переход синусоиды через ноль, данная техника позволяет гарантированно и максимально точно выделять и оперировать с четвертями периода синусоиды.


Возникает вопрос, кто подберёт и установит удвоенную частоту резонанса? С этой задачей легко справится адаптивный алгоритм индукционного нагревателя класса "Охотник". Охотник определяет максимум тока напряжения и под них подбирает частоту. Значит при наличии делителя частота генератора будет установлена в 20кГц при его отсутствии в 10кГц.

Техника определения пика сигнала используя деление на два частоты генератора востребована в проекте Хантер частично и в финальной схеме будет изменена. Но для случая определить максимум заряда конденсатора в резонансном контуре и выполнить его частичный разряд, используя технику генерации токовых импульсов, вполне приемлема.

Поскольку потенциальная энергия образуется в точке прерывания тока, то по логике и снимать её следует непосредственно с транзистора или искровика, а не с индуктивности как это принято.


В первой части ролика показан традиционный способ заряда конденсатора через диод который подключается последовательно с конденсатором между стоком и истоком транзистора. Конденсатор заряжается до напряжения источника питания. В случае применения любой из предложенных ранее техник работы с потенциальной энергией, конденсатор заряжается до четырёхсот и более вольт, что в десятки раз больше исходного напряжения.



Данная техника съёма проверена и работает для параллельного колебательного контура в резонансе. При этом можно выполнять нагрев металлической заготовки. Длительность в течении которого включен транзисторный ключ находится в границах между вашим желанием получить большее напряжение и возможностью спалить транзистор. При транзите тридцати ватт транзисторы уверенно греют радиатор, из строя не выходят.

Вопрос знатокам, почему конденсатор между стоком и истоком транзистора через диод заряжается до напряжения источника питания - 25V, а через башню мордора до 440 вольт. Где спрятаны эти 400 вольт и откуда они берутся? Потребление от ИП и эпюры тока неизменны.

Я таким образом легко получаю из 12В - 1500В. Можно и больше. Все определяется "прочностью" транзистора и его "скоростью". Частота порядка 2 кГц. При определенной нагрузочной емкости сток-исток, на стоке прямоугольный импульс амплитудой 1500В при скважности 15 - 20, без колебательных процессов..

GeotechRU пишет:

Здравствуйте, GeotechRU.

Предложенные мной схема и видеоролик демонстрируют, что энергию следует снимать в точке прерывания тока. Вы добавляете разрядник и полностью игнорируете основной посыл. Посмотрите патенты Тесла. Тесла более логичен, снимает энергию с разрядника.

В моей схеме колебательный контур отсутствует, нет резонанса. Осциллограмма тока приведена в видеоролике. Не очень ясно где вы нашли синусоиду. В примечании указал, что с колебательного контура можно означенным способом так же снимать потенциальную энергию и переводить её в заряд конденсатора без увеличения тока потребления в процессе индукционного нагрева.